摘 要：介紹了故障樹分析法（FTA）和故障模式、機(jī)理影響分析法（FMMEA）。運(yùn)用FTA建立 了某型導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)失效模型，并根據(jù)定性分析結(jié)果，對發(fā)動機(jī)點火藥進(jìn)行FMMEA分析，確定故 障模式和故障機(jī)理，找出故障發(fā)生的根本原因，提出改進(jìn)措施以符合初始風(fēng)險優(yōu)先數(shù)（RPN）要 求，輸出FMMEA表格。這一分析方法對導(dǎo)彈其他部件潛在故障的分析具有借鑒意義。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)；可靠性；故障樹分析；故障模式

中圖分類號：TJ760.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）06-0062-05

FailureAnalysisofaMissileEngineBasedonFTAFMMEA

LIZhiqiang1，WANGQian1，WUHongcheng2，MAXuejun3

（1.DepartmentofAviationAmmunition，AirForceLogisticsCollege，Xuzhou221000，China；2.PLA’sMilitaryRepresentative Officein149，Shanghai200245，China；3.Troop94750，Liancheng366200，China）

Abstract：Faulttreeanalysis（FTA）methodandfailuremode，mechanismsandeffectsanalysis（FM MEA）methodareintroduced.UsingFTA，themodeloffailureanalysisonmissileengineisestablished， andusingthequalitativeanalysisresults，theignitionpowderofengineisanalyzedbyFMMEA，thenthe failuremodeandmechanismsaredetermined，thefundamentalreasonsarefoundout.Improvementmeas uresareputforwardsothattheriskprioritynumber（RPN）issuitedforthemerits，andFMMEAtableis outputted.Thismethodisusefulwhenanalyzingthepotentialfailuresoftheotherpartsofthemissile.

Keywords：missileengine；reliability；faulttreeanalysis；failuremode

0 引 言

作為“長期儲存，一次使用”的高性能武器，空 空導(dǎo)彈中遠(yuǎn)距離發(fā)射、機(jī)動飛行的實現(xiàn)和優(yōu)良作戰(zhàn) 效能的發(fā)揮很大程度上取決于發(fā)動機(jī)的可靠性。當(dāng) 前有大量關(guān)于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)可靠性的學(xué)術(shù)成果，而 在發(fā)動機(jī)可靠性方面研究較少。隨著失效物理分析 法（PoF）[1]越來越多地運(yùn)用于失效分析中，故障模 式、機(jī)理及影響分析（FailureMode，Mechanismsand EffectsAnalysis，F(xiàn)MMEA）在實踐中也推廣開來。

1 FTA-FMMEA綜合分析法

1.1 故障樹分析法

故障樹分析法（FaultTreeAnalysis，F(xiàn)TA）[2]，20 世紀(jì)60年代由Bell實驗室提出，可以用于評價系統(tǒng) 的可靠性和安全性，也可以針對某一具體的故障進(jìn) 行分析，是一種綜合性的系統(tǒng)分析方法。FTA采用 樹狀結(jié)構(gòu)，層級分明，因果關(guān)系清晰。FTA將最不希 望發(fā)生的事件作為頂事件，自上而下，根據(jù)引起頂 事件發(fā)生的部件失效、環(huán)境變化、人為失誤等要素， 逐項建立中間事件和底事件；繼續(xù)分析中間事件， 直到到達(dá)故障樹底端，即故障樹底事件全為基本事 件的集合。由于具有從頂端到底端逐層細(xì)化、逐級劃分故障元素的特點，F(xiàn)TA適合于多重故障分析。

1.2 故障模式、機(jī)理及影響分析

故障模式、機(jī)理及影響分析[3]，20世紀(jì)90年 代由MichaelPecht教授提出，是一種定性分析方 法，可以確定所有潛在故障模式中的故障機(jī)理和 故障模型，對故障機(jī)理進(jìn)行優(yōu)先級劃分。FMMEA 通過對裝備部件潛在故障模式與對裝備功能、性 能和退化影響進(jìn)行分析，根據(jù)元部件的設(shè)計模型、 結(jié)構(gòu)、材料等提出改進(jìn)方案，為日常的維護(hù)使用提 出建議措施。相對于FMEA，F(xiàn)MMEA更加注重故 障機(jī)理的研究，有助于找出潛在故障的根本原因， 從真正意義上控制故障風(fēng)險。

1.3 FTA-FMMEA分析法

采用自上而下分析方式的FTA適合于多因素 分析，采用自下而上方式的FMMEA適合對單一因 素進(jìn)行分析。如果把FTA與FMMEA結(jié)合起來，將 充分發(fā)揮兩種分析方法的優(yōu)勢：FTA可以彌補(bǔ)FM MEA單因素分析存在的不足；FMMEA可以針對 FTA中相對重要的因素進(jìn)行分析。

FTA-FMMEA綜合分析法的原理[4]：根據(jù)工 程實際需要，選擇一個故障事件作為故障樹分析 的頂事件，根據(jù)故障形成的原因?qū)ふ抑虚g事件和 底事件，建立故障樹。運(yùn)用定性分析方法與定量分 析方法，求出故障樹最小割集，確定引起故障的各 事件可能性。對于影響較大的事件，運(yùn)用FMMEA 進(jìn)行分析，根據(jù)故障模式可檢測的難易程度、嚴(yán)酷 度、發(fā)生可能性計算初始風(fēng)險優(yōu)先數(shù)RPN（Risk PriorityNumber）值，找出低層次故障模式與故障機(jī) 理，追溯事件發(fā)生的根本原因，并根據(jù)分析結(jié)果提 出改進(jìn)措施和建議，再次計算RPN值。如果RPN 值不滿足預(yù)先設(shè)定的范圍，就繼續(xù)改進(jìn)措施或者 改進(jìn)設(shè)計，當(dāng)RPN滿足要求之后，輸出分析結(jié)果。 FTA-FMMEA進(jìn)行故障分析的流程如圖1所示。

2 故障樹分析模型建立

某型導(dǎo)彈固體火箭發(fā)動機(jī)為單室雙推力發(fā)動 機(jī)，由燃燒室、點火系統(tǒng)、裝藥、長尾噴管等分組 件和有關(guān)直屬零件組成[5]。由于發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 故障模式與故障原因多種多樣，采用故障樹分析 法進(jìn)行分析，可以對故障進(jìn)行大致定位，判明可能 的故障機(jī)理。

2.1 頂事件確定

隨著推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，新材料、新型推進(jìn)劑等 的運(yùn)用，發(fā)動機(jī)的內(nèi)彈道性能、安定性等越來越優(yōu) 良[6]。但發(fā)動機(jī)故障依舊時常發(fā)生，一旦失效，將 影響整個導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能，輕者不能完成預(yù)定任 務(wù)、浪費資源，重者威脅載機(jī)、造成嚴(yán)重事故。對 導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)建立故障樹進(jìn)行分析時，以發(fā)動機(jī)失 效為頂事件T。

2.2 故障樹建立

由某型導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)的組成可知，發(fā)動機(jī)失 效[7]主要由燃燒室損壞或爆炸、點火系統(tǒng)失效、噴 管失效、密封失效四個原因引起。燃燒室損壞主要 由殼體設(shè)計不合理、燃燒室工作壓強(qiáng)過高、絕熱層 設(shè)計不合理、材料隔熱性差、殼體材料缺陷引起； 點火系統(tǒng)失效主要由堵片脫落、點火藥柱點火失 效、點火具點火失效引起；密封失效主要由密封圈 失效、設(shè)計不合理、密封槽失效、裝配不當(dāng)、粘貼 劑失效引起。殼體設(shè)計不合理、燃燒室工作壓強(qiáng)過 高、點火藥柱點火失效、點火具點火失效原因由相 應(yīng)的底事件引起。根據(jù)故障引起的層級關(guān)系，建立 發(fā)動機(jī)失效的故障樹如圖2所示。故障樹事件明細(xì) 如表1所示。

2.3 故障樹定性分析

故障樹定性分析即求解故障樹的割集和最小 割集。割集是指故障樹底事件的集合，當(dāng)這些事件 發(fā)生時，故障必然發(fā)生，若某個割集中的某一項事 件不發(fā)生，故障也就不發(fā)生，那么這個割集就是最 小割集。

對空空導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)失效故障樹進(jìn)行定性分析， 可以通過上行法和下行法進(jìn)行，此處采用上行法 求解。故障樹模型如下：

T=X1+X2+X3+X4+X5+X6+X7+X8+

X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+

X16+X17+X18+X19·X20

在所求割集中，階數(shù)越小的最小割集越重要， 重復(fù)出現(xiàn)次數(shù)越多的底事件越重要。由T的簡式 可知，發(fā)動機(jī)失效的故障有1個二階故障，18個 單點故障。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和材料選擇時候，把單 點故障消除或者通過技術(shù)使之保持在一個極小的 水平，也就是在對空空導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)進(jìn)行設(shè)計的過 程中，通過采用成本較高而可靠性較好的零部件， 使單點故障趨于零。

3 導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)FMMEA

3.1 FMMEA分析流程

對某型導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)進(jìn)行FMMEA時，需要選 取對故障影響較大的最小割集為研究對象，因此 以發(fā)動機(jī)點火具失效為線索，進(jìn)行FMMEA。根據(jù) 發(fā)動機(jī)組成和FTA結(jié)果，選取點火具失效為研究 對象，分析其潛在的故障模式，找出故障原因， 確定故障機(jī)理，并確定對上一級系統(tǒng)和整體系統(tǒng) 的影響。根據(jù)故障的可探測度、嚴(yán)酷等級、發(fā)生 概率，確定RPN值，提出改進(jìn)措施，計算實施改 進(jìn)方案之后的RPN值，當(dāng)滿足要求之后，輸出 FMMEA表格。對發(fā)動機(jī)進(jìn)行FMMEA的流程如圖 3所示。

3.2 失效原因和失效機(jī)理分析

導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)組成較為復(fù)雜，就整個發(fā)動機(jī)系 統(tǒng)進(jìn)行故障機(jī)理分析，工作量偏大，此處選取 X20———點火藥失效進(jìn)行分析。點火藥性能的好壞 直接關(guān)系到能不能正常點火，發(fā)動機(jī)能不能正常 工作，對其進(jìn)行分析具有代表性。

點火藥失效的故障原因分析[8]如下：

（1）個體差異。點火藥的藥型設(shè)計會影響燃 燒快慢和充分性。如果設(shè)計不合理，點火藥就有可 能燃燒太快而沒有充足點火時間，也有可能燃燒 太慢或者熄火，以致沒法釋放點火熱量。點火藥的 選擇和藥量多少也會影響點火藥能量的釋放。如 果在選擇點火藥時，選用焦耳熱較小的，藥量又 少，點火就更加困難。

（2）隨時間變化。點火藥粒度會影響燃燒速 度，進(jìn)而影響釋放能量的持續(xù)時間。如果藥粒過 細(xì)，燃燒太快，就沒有足夠的點火時間；如果藥粒 板結(jié)，燃燒太慢，單位時間放能太少。長期貯存 中，藥粒如果慢慢變細(xì)，或者結(jié)成小塊，使點火藥 粒度不均勻，會嚴(yán)重影響燃燒規(guī)律。

（3）操作使用。按照相應(yīng)的操作規(guī)程，技術(shù)陣地或工廠需要定期對導(dǎo)彈各個部位進(jìn)行檢查，更 換干燥劑和失效零部件。如果在濕度較大的天氣 進(jìn)行開殼操作，或者導(dǎo)彈重新組裝不到位，或者忘 記更換干燥劑，都會使得點火藥受潮，影響其燃燒 性能。導(dǎo)彈運(yùn)輸途中，機(jī)械搬運(yùn)過程中，如果操作 動作過大，會對導(dǎo)彈產(chǎn)生較大的振動沖擊。

（4）系統(tǒng)干涉。發(fā)動機(jī)點火藥采用綢布、錫箔 封裝，具有一定的密封性，但由于點火藥為散裝粒 狀，相對成型的點火藥來說，其燃燒規(guī)律不夠穩(wěn) 定，并且還有可能在沒有充分燃燒時，隨著火焰噴 氣一起噴出，造成能量源損失，影響能量釋放，進(jìn)而影響點火系統(tǒng)的正常點火工作。

（5）外部環(huán)境。外部環(huán)境因素主要是指導(dǎo)彈 在運(yùn)輸、儲存、掛飛過程中受到的振動沖擊，這些 會影響點火藥的粒度，也會對零部件造成影響，比 如引起螺母松動或者脫落。在儲存保管和運(yùn)輸中， 環(huán)境溫濕度超出規(guī)定范圍，也會影響點火藥點火 性能。如果密封和防潮措施不到位，潮氣很容易就 進(jìn)入彈體內(nèi)部。

根據(jù)導(dǎo)致故障的原因，從設(shè)計機(jī)理、退化機(jī) 理、人為失誤、振動沖擊和溫濕度控制五個角度確 定故障機(jī)理，如表2所示。

從表2可以看出，設(shè)計機(jī)理出現(xiàn)了4次，這就 要求在進(jìn)行設(shè)計時，必須充分考慮點火藥的藥型、 選藥、用藥量等，在源頭上減小影響可靠性的因 素。對于在役的發(fā)動機(jī)，重新改進(jìn)設(shè)計不現(xiàn)實，只 有在實際工作中對可能出現(xiàn)的影響因素進(jìn)行分析。 影響點火藥性能的故障機(jī)理主要是貯存保管和勤 務(wù)處理中受到的振動沖擊和溫濕度失控。振動沖 擊和溫濕度失控很常見，稍不注意就會發(fā)生，而且 對點火藥有很大、很明顯的影響。退化機(jī)理、人為 失誤歸根結(jié)底，也是通過振動沖擊和溫濕度失控 產(chǎn)生影響的。在維持發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)定環(huán)境中的同 時，加強(qiáng)對技術(shù)人員的教育和培訓(xùn)，增強(qiáng)責(zé)任意 識、法規(guī)意識，確保人為失誤零發(fā)生。

3.3 故障風(fēng)險值確定

RPN[9]常用來評定故障模式的風(fēng)險等級，反 映了對故障模式發(fā)生可能性、后果嚴(yán)重性和檢測 難度的綜合衡量。RPN由故障模式發(fā)生可能性 （O）、嚴(yán)酷度等級（S）和檢測難易程度（D）相乘得 到，即

RPN=O×S×D

RPN取值越大，表示故障模式越重要，必須通 過故障機(jī)理尋找故障原因，制定改進(jìn)措施或者方 案，及時解決。在對故障模式進(jìn)行RPN評定時，一 般要制定一個指標(biāo)。根據(jù)實際情況，作出RPN評定，如果該值達(dá)不到指標(biāo)要求，則改進(jìn)設(shè)計或者優(yōu) 化操作流程，降低故障發(fā)生的可能性、降低嚴(yán)酷度 等級或者增加故障可檢測性，再計算新的RPN，直 到滿足指標(biāo)為止。由于O，S，D的取值具有相對的 主觀性，一般通過專家評定，專家打分，然后求平 均值確定[10]。

通過抽樣檢測，對該型導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)點火藥進(jìn) 行性能評判。經(jīng)過咨詢專家，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，計算 平均值，得到故障模式出現(xiàn)概率O=6、嚴(yán)酷度等 級S=6、檢測度難易程度D=4，求得RPN=144。 制定的RPN指標(biāo)為60，計算結(jié)果超出指標(biāo)，需要 進(jìn)行改進(jìn)。

3.4 改進(jìn)措施

根據(jù)表2故障原因和故障機(jī)理，提出可行的改 進(jìn)方案，可以有效地降低RPN值：在設(shè)計上改進(jìn) 藥型、選用能量比更高的火藥、增大藥量、改良封 裝措施；對于在役的導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)，改進(jìn)現(xiàn)有的貯存 保管方法、勤務(wù)保障模式。

由于該型導(dǎo)彈包裝儲運(yùn)，受到的振動主要是 保障過程中的機(jī)械振動、搬運(yùn)過程中的磕碰以及 運(yùn)輸過程中的顛簸和慣性沖擊。隨著技術(shù)的成熟， 如果在導(dǎo)彈包裝箱內(nèi)安裝傳感器系統(tǒng)，就可以實 時監(jiān)測導(dǎo)彈受到的振動和沖擊，同時在包裝箱內(nèi) 做好固定裝置和緩沖襯件，一旦遇到較大的加速度或慣性力，導(dǎo)彈將有一定的緩沖能力。在包裝箱 內(nèi)安置溫濕度傳感器，實時監(jiān)測導(dǎo)彈的溫濕度。在 不影響導(dǎo)彈性能結(jié)構(gòu)的情況下，可以根據(jù)導(dǎo)彈內(nèi) 部結(jié)構(gòu)，在點火藥處安置溫濕度一體微型傳感器， 記錄點火藥所處環(huán)境中的溫濕度。在進(jìn)行保障方 式改進(jìn)的同時，加強(qiáng)人員的技術(shù)培訓(xùn)，增強(qiáng)官兵的 愛裝愛軍意識，使得裝備和人能夠更好地發(fā)揮作 用。

采取改進(jìn)措施后，專家對RPN進(jìn)行修正，求取平均值后O=4，S=4，D=2，得出RPN=32，滿 足指標(biāo)，說明改進(jìn)方案可取。

3.5 FMMEA表格輸出

根據(jù)某型導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)點火藥失效的故障模式、 故障原因和故障機(jī)理，找出故障發(fā)生的根本原因， 采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，使得發(fā)動機(jī)點火藥的故障可 能性、嚴(yán)酷度等級和可探測程度得到了很大的改善。 整個FMMEA理論分析過程，到此結(jié)束，類比FMEA 表格，建立FMMEA表格[11]，如表3所示。

4 結(jié) 束 語

隨著精確制導(dǎo)技術(shù)、火箭推進(jìn)技術(shù)的迅速發(fā) 展，大量高技術(shù)器件運(yùn)用到導(dǎo)彈上，導(dǎo)彈的成本也 隨之增加?！敖?jīng)濟(jì)可承受性”問題越來越突出，研 究導(dǎo)彈的可靠性，提高導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能已顯得越 來越重要。作為導(dǎo)彈助推器的發(fā)動機(jī)是一個核心 而又薄弱的環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對發(fā)動機(jī)的研究將對導(dǎo)彈 可靠性的提高發(fā)揮非常明顯的效果。

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